Леонид Черняк – История электронных компьютеров (страница 7)

CISC и RISC

На протяжении более чем полувека микропроцессоры развивались по двум независимым траекториям. Первоначально доминировала архитектура, которую позже назвали CISC (Complex Instruction Set Computer). Она появилась в индустрии в 1970-х годах и характеризовалась сложными командами, способными выполнять несколько действий за одну инструкцию. Программисту было проще писать код, а сам код получался компактным. За это процессору приходилось тратить больше времени на декодирование команд, сложнее было распараллеливать выполнение и оптимизировать конвейер.

Примерно через десять лет появилась академическая парадигма RISC (Reduced Instruction Set Computer). В отличие от CISC, RISC использовала простые, компактные инструкции, которые чаще всего выполняются за один такт процессора. Сложные операции разбивались на несколько простых команд. Преимущества RISC проявлялись в высокой скорости работы, простоте конвейеризации и хорошей масштабируемости. Недостатками были увеличенный объем кода и более сложная компиляция.

В 1980-х обе архитектуры сосуществовали как отдельные парадигмы: CISC росла в недрах индустрии, обеспечивая удобство программирования и компактность кода, а RISC развивалась в академической среде, делая упор на скорость и эффективность исполнения инструкций. Параллельное существование этих подходов объясняется тем, что они решают разные задачи и обладают уникальными преимуществами в определенных условиях.

Современные процессоры часто комбинируют элементы обеих архитектур. Это позволяет использовать преимущества CISC в компактности и удобстве программирования, а RISC – в скорости выполнения и эффективной конвейеризации. Таким образом, история архитектур процессоров – это история постепенного сочетания двух подходов, каждый из которых развивался почти независимо, но в итоге дополнил другой.

CISC–Intel, восхождение, доминирование и уступка трона

Когда в 1971 году компания Intel представила миру первый коммерческий микропроцессор – Intel 4004, никто еще не знал, что начинается новая технологическая эра. Микросхемы размером с ноготь стали сердцем цифровой революции, а сама Intel – ее главным мотором.

На протяжении четырех десятилетий Intel удерживала лидерство в индустрии микропроцессоров. Ее продукты стояли внутри подавляющего большинства персональных компьютеров, от офисных машин до домашних игровых станций. Слоган «Intel Inside» стал символом надежности, производительности и статуса.

Хронология доминирования:

• 1980-е: архитектура x86 закрепляется как индустриальный стандарт.

• 1990-е: Pentium становится нарицательным именем; компьютеры ассоциируются с Intel.

• 2000-е: линейка Intel Core возвращает компании лидерство после кратковременного успеха AMD.

В это время AMD и другие конкуренты существовали – иногда даже догоняли, но почти никогда не опережали. Intel задавала темп, определяла архитектурные стандарты и даже диктовала, как будет выглядеть будущее вычислений.

Точка перегиба: замедление гиганта

Но у каждой империи есть предел господства. У Intel он начался, казалось бы, с незначительного, но рокового сбоя: компания не справилась с переходом на более тонкий техпроцесс – с 14-нм на 10-нм. То, что должно было случиться в 2016 году, откладывалось до 2019 и далее. В то время как TSMC, крупнейший контрактный производитель чипов, шагнул вперед и начал осваивать 7-нм техпроцессы, на которых работали уже и Apple, и AMD.

В 2017 году AMD представила архитектуру Zen – и внезапно стала снова опасным соперником. Серия процессоров Ryzen показала отличную многопоточную производительность, а серверные процессоры EPYC начали теснить Intel в ее, казалось бы, неприступной крепости – дата-центрах.

AMD предлагала больше ядер, меньше энергопотребления и лучшую цену. Это изменило правила игры. Если раньше Intel могла позволить себе медленные итерации, теперь это стало роскошью.

Apple и ARM: уход в другое измерение

В 2020 году еще один удар пришел из неожиданного направления. Apple отказалась от процессоров Intel, на которых работали ее ноутбуки и десктопы более 15 лет, и перешла на собственные чипы, построенные на архитектуре ARM. Так родился Apple M1 – энергоэффективный и невероятно мощный процессор, который потряс рынок.

ARM-чипы давно доминировали в смартфонах и планшетах, но с M1 стало ясно: они могут тягаться и с «большими» x86-процессорами. Intel пропустила революцию мобильных устройств – и теперь теряла позиции и в мире настольных решений.

2020-е: трон шатается

К началу 2020-х годов Intel столкнулась с конкуренцией сразу с нескольких фронтов:

• AMD – в классических x86-компьютерах и серверах.

• Apple и ARM – в мобильных и десктопных устройствах.

• TSMC – в области производства полупроводников, где Intel отстала по техпроцессу.

Финансово это стало ощутимо: в 2021 году TSMC обогнала Intel по рыночной капитализации, а в технологическом плане – ее лидирующая позиция была поставлена под сомнение впервые за десятилетия.

В 2021 году у руля Intel встал ветеран индустрии Пэт Гелсингер. Под его руководством компания объявила масштабную стратегию по модернизации производств, разработке новых архитектур и вхождению в рынок контрактного производства – прямой конкуренции с TSMC.

Цель – вернуть Intel в статус не просто одного из игроков, а лидера. Будет ли это возможно? Вопрос пока открыт.

Intel была символом цифровой эпохи. Она фактически изобрела микропроцессор, сделала его массовым продуктом и десятилетиями диктовала правила игры. Но даже самые могучие технологические империи сталкиваются с вызовами. Сегодня она больше не единоличный владыка микропроцессорного трона. Но если история чему-то учит – в том числе и история самой Intel – так это тому, что даже гиганты способны на второе дыхание.

История RISC

RISC (Reduced Instruction Set Computer) – это архитектурный подход, при котором используется малое количество простых и быстро исполняемых инструкций. Предпочтение отдается командам одинаковой длины и формата, основной упор делается на работу с регистрами, а не с памятью. Главная идея RISC проста: чем проще инструкция, тем быстрее и эффективнее ее выполнение.

Три школы RISC: три взгляда на простоту

В начале 1980-х годов в разных точках США почти одновременно родились три проекта, которые заложили фундамент концепции RISC. Каждый из них отражал свой подход к мышлению, проектированию и контролю над сложностью. Это проекты IBM 801, Berkeley RISC и Stanford MIPS. Они развивались независимо, но объединяет их общий дух – дух нового времени, когда громоздкие, многозначные инструкции уступили место простым, быстрым и управляемым конструкциям.

Хронологически первый прообраз RISC появился не в университете, а в корпорации IBM в середине 1970-х. Проект 801, названный по номеру здания, разрабатывался для телекоммуникационного оборудования. Автор, инженер Джон Кок, увидел, что большинство сложных CISC-инструкций не ускоряют выполнение программ, а наоборот, мешают. В результате родилась архитектура, где каждая инструкция короткая, однозначная и выполняется за один такт.

Почти одновременно профессор Дэвид Паттерсон в Калифорнийском университете в Беркли запустил проект, ориентированный изначально на обучение студентов архитектуре компьютеров. Паттерсон подошел к RISC как ученый: анализировал статистику использования инструкций и выявлял, какие реально ускоряют работу программ. Проект Berkeley RISC стал первой архитектурой, напрямую названной RISC, и оказал огромное влияние на последующие ARM и SPARC.

Третий путь открыл Джон Хеннесси в Стэнфорде. Его проект MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages – микропроцессор без взаимоблокирующих стадий конвейера) был академическим, но сразу ориентированным на реальные продукты. Хеннесси тесно работал с компиляторами, считая, что они должны брать на себя большую часть ответственности за оптимизацию кода.

Первые RISC-процессоры

Процессор IBM 801 никогда не продавался как коммерческий продукт; он использовался внутри IBM для телекоммуникационных систем. На его основе появились IBM ROMP – первый RISC в коммерческом продукте (рабочая станция IBM RT, 1986) и архитектура POWER/PowerPC, применяемая в суперкомпьютерах, игровых консолях и серверах.

Berkeley RISC (RISC I, 1981; RISC II, 1983) был реализован в университетской лаборатории на кремнии с частотой до 3 МГц. Эти чипы служили исследовательской целью, но оказали большое влияние на архитектуру SPARC (Sun Microsystems, 1987), которая широко использовалась в рабочих станциях.

Stanford MIPS появился в 1984 году. В 1985 Хеннесси основал MIPS Computer Systems, и вскоре были выпущены первые коммерческие процессоры: R2000 (1986) и R3000 (1988), применявшиеся в UNIX-системах и игровых приставках. В 1990-х MIPS использовался в продуктах SGI, Cisco и Sony (PlayStation 1).

Что осталось из первых RISC и кто выжил?

Большая часть классических MIPS-процессоров уже не выпускается для массового рынка, но архитектура продолжает жить в специализированных и встроенных системах. SPARC сохранялся в серверном сегменте, однако компании постепенно переходят на x86 или ARM. IBM POWER – самый живой представитель классического RISC, активно развивающийся и применяемый в суперкомпьютерах, мощных серверах и мэйнфреймах IBM Z.